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第 39 卷第 4 期 化学反应工程与工艺 Vol 39,No 4 2023年8月 Chemical Reaction Engineering and Technology Aug.2023 收稿日期：收稿日期：2022-08-16；修订日期：修订日期：2023-05-27。作者简介：作者简介：王志雨（1982），男，博士。E-mail:wangzhiyu-。基金项目：基金项目：中国科学院战略性先导科技专项（XDA07050100）。文章编号：文章编号：10017631(2023)04032707 DOI:10.11730/j.issn.1001-7631.2023.04.0327.07 耦合流化床提升管边壁区固体流动的研究耦合流化床提升管边壁区固体流动的研究 王志雨1,2，霍晓东1,2，王永伟1,2，程中虎2，房倚天2 1.吕梁学院，山西 吕梁 033001；2.中国科学院山西煤炭化学研究所，山西 太原 030001 摘要：摘要：为了研究耦合流化床边壁区固体颗粒的流动特性，采用压力传感器、PV-6 型颗粒速度测量仪和 PC6D型颗粒浓度测量仪测量了提升管轴向压降以及颗粒速度和浓度。结果表明：颗粒的下降速度为 0.81.6 m/s。固体循环量、表观气速的增加使颗粒下降速度增加，总结得到颗粒速度与截面平均固体浓度关联式。增加固体循环量、减小表观气速使边壁区固体浓度和流量增加，但返混比的变化相对较小，并拟合得到了固体浓度与截面平均固体浓度关联式。因此对于耦合流化床，可以通过改变操作条件来调节边壁区固体颗粒的流动特性。关键词：耦合流化床关键词：耦合流化床 提升管提升管 快速流态化快速流态化 边壁区边壁区 流动特性流动特性 中图分类号：中图分类号：TQ021.1；TQ545.5 文献标识码：文献标识码：A 与低速流化床相比，处于快速流态化区域的循环流化床具有气固接触良好、气体和固体停留时间控制准确、处理能力强等优点1。将循环流化床与灰熔聚技术耦合的多段分级转化流化床煤气化炉（多段床），实现底部灰熔聚流化床部分气化、选择性排渣，上部提升管强化气固接触进而提高整个煤气化系统的碳转化率和处理能力，使多段床具有煤分级转化、气化炉体积利用率和气化效率高、结渣风险少等优点。然而，循环流化床的提升管典型流动特征是径向上中心稀、边壁浓的环-核流动结构2-6，这种不均匀的流动即使在高密度、高流量的循环流化床中仍然存在7-8。环-核流动结构使固体颗粒返混，导致气固接触效率低，从而降低化学反应的转化率和选择性9，另外，边壁区固体浓度、颗粒速度对床层-边壁传热10和管壁的磨损11有明显的影响，对于煤转化过程影响反应速率、煤灰熔融特性和产物组成。因此边壁区固体颗粒的流动状态研究得到了广泛的关注。Noymer 等12总结前人研究工作得出边壁区颗粒的下降速度为 0.32.0 m/s，并通过理论分析得出颗粒下降速度模型，模型计算结果与实验值吻合较好。Parssinen 等13发现高密度循环流化床的截面平均固体浓度较低时（提升管顶部），边壁区颗粒平均速度较高，超过 2 m/s；截面平均固体浓度较高时（提升管底部），边壁区颗粒平均速度较低，为 1 m/s。同时拟合得到边壁区颗粒与截面平均颗粒浓度的关系式。Xu 等14通过对比分析已发表的关于边壁区固体浓度表达式，并在最小流态化到气力输送的提升管整个流化区间内，分 2 个区间拟合得到边壁区固体浓度表达式。目前关于边壁区颗粒速度、固体浓度和固体流量这 3 个重要的流体力学参数的系统研究鲜有报道。对于射流流化床和缩小直径提升管耦合的多段分级转化流化床，特殊的入口结构及物料在提升管和射328 化学反应工程与工艺 2023年8月 流流化床之间分配等对边壁区固体的流动均有一定的影响，从而关联到整个多段床的运行状态。前期工作已经对多段分级转化流化床的流化区域相图15、提升管速度场16及边壁层厚度17、提升管体积分数18和颗粒聚团特性19进行了详细的研究和讨论，本工作将重点考察轴向位置、操作条件对提升管内边壁区流动结构的影响，为多段分级转化流化床的设计、放大以及操作优化提供指导。1 实验部分 实验部分 1.1 实验装置及流程 实验装置及流程 多段床的实验装置如图 1 所示，冷态装置由射流流化床耦合缩小直径的提升管构成。其中射流床内径为 300 mm、高为 1.5 m，提升管内径为 150 mm、高为 8 m，两者通过变径段相连。来自鼓风机的空气分别经过分布板和环管进入流化床。固体循环量由气动阀吹气量控制。立管中的颗粒经气动阀进入提升管中,固体颗粒被气体夹带向上运动，直至提升管出口。气固混合物经一级、二级旋风分离器分离，剩余的固体被布袋除尘器捕获。分离的固体颗粒返回到立管中，然后经气动阀重新进入提升管中进行下一次循环。实验所用固体物料为硅胶，其表观密度为 1 020 kg/m3，堆密度为 485 kg/m3，平均粒径为 0.25 mm。1.2 测试方法 测试方法 固体循环量采用示踪粒子法测定，并用切换法校正。压力梯度采用天宇 CST-105 压差传感器测量，用20 个压力传感器测量整个床层的压力变化，并计算截面平均固体浓度。颗粒速度采用 PV-6 型颗粒速度测定仪测量，局部固体浓度采用 PC6D 型颗粒浓度测量仪测量。提升管轴向上共布置了 9 个测试截面，径向上布置了 6 个测量点。具体的实验过程和分析方法参见前期研究工作15-19。2 结果与讨论结果与讨论 为了系统研究边壁区固体颗粒流动行为，分别考察颗粒速度、固体浓度、固体通量的轴向分布以及操作条件对其影响。采用径向颗粒速度为零定义边壁层厚度，即从提升管边壁到平均垂直颗粒速度为零的径向位置的距离，无因次边壁层厚度（a）表达式见参考文献17。2.1 边壁环隙区固体颗粒下降速度 边壁环隙区固体颗粒下降速度 固体颗粒循环量（Gs）和表观气速（ug）对边壁区颗粒下降速度（vp）的影响结果见图 2。由图可看出，边壁区颗粒下降速度在底部较大，其随着轴向位置（H）的增高逐渐降低，而在提升管顶部强约束出口（H=9 m）处，颗粒下降速度略有增加。总体上边壁区颗粒的下降速度为 0.81.6 m/s。图 2（a）显示，固体循环量增加使边壁区颗粒下降速度增加，并且增加幅度在高循环量时明显大于低 图 1 实验装置流程 Fig.1 Schematic diagram of experimental appratus 1-jetting fluidized bed;2-reducing pipe;3-riser;4-bag filter;5-secondary cyclone;6 primary cyclone;7-storage;8-standpipe;9-non-mechanical valve;10-butterfly valve;11-compressor;12-blower 123456789101211第39卷第4期 王志雨等.耦合流化床提升管边壁区固体流动的研究 329 循环量，这是由于循环量增加使更多的固体集中于边壁区域，增加了颗粒聚团的浓度和形成频率19，气体对固体颗粒的曳力降低，使固体颗粒向下运动速度加快。图 2（b）显示，表观气速增加使边壁区颗粒下降速度增加，这是由于气速增加使中心区颗粒速度增加程度明显大于边壁区16，固体颗粒从中心区向边壁区扩散，迫使更多的固体集中在边壁区，使固体颗粒向下的运动速度加快。23456789100.81.01.21.41.6vp/(ms-1)H/m Gs 58 kg/(m2s)86 kg/(m2s)106 kg/(m2s)(a)ug=4.4 m/s 23456789100.81.01.21.41.6vp/(ms-1)H/m ug 4.4 m/s 5.0 m/s 5.6 m/sGs=86 kg/(m2s)(b)图 2 固体颗粒循环量（a）和表观气速（b）对边壁区颗粒下降速度的影响 Fig.2 Effects of solids circulation rate(a)and superficial gas velocity(b)on particle descend velocity in the wall region 截面平均固体浓度（s）决定了提升管中气、固两相的流动状态20，是提升管反应器的关键参数，因此，将边壁区颗粒下降速度对截面平均固体浓度作图，结果如图 3 所示。由图可知，在快速流化区域内（s0.02），边壁区固体颗粒向下流动，形成环-核流动结构。边壁区固体颗粒下降速度与截面平均固体浓度有一定的相关性，即随着截面平均固体浓度增加，边壁区颗粒下降速度增大。这是由于截面平均固体浓度增加，边壁处固体浓度显著增加，颗粒聚团的时间分率和浓度增加19，下降速度增大。根据两者的函数关系，拟合得到经验关联式：0.000.050.100.150.200.250.81.01.21.41.6vp/(ms-1)svp=0.15ln(s)+1.71 0.91.01.11.21.31.41.51.60.91.01.11.21.31.41.51.6+20%Measured vp/(ms-1)Predicted vp/(ms-1)-20%图 3 边壁区颗粒下降速度与截面平均固体浓度的关系 Fig.3 Correlation of particle descend velocity to the cross-sectional solids holdup 图 4 式（1）的预测值与测量值比较 Fig.4 Parity plot for equation(1)using experimental data 为验证式（1）可靠性，将实验得到的 62 个数据点与方程（1）预测值列于图 4，预测值与测量值的相对误差在 20%以内，说明该关系式较好地预测了边壁区固体颗粒下降速度。2.2 边壁环隙区固体浓度 边壁环隙区固体浓度 固体颗粒循环量和表观气速对边壁区固体浓度（s）的影响结果如图 5 所示。由图可看出：边壁区固体浓度的范围比较宽泛，提升管底部近似为最小流化时固体浓度，随着轴向位置的升高先降低，vp0.15ln(s)1.71 0.02s0.25（1）330 化学反应工程与工艺 2023年8月 在上部充分发展区（H=5.656.65 m）最低，在强约束出口影响范围内，固体浓度增加。增加固体循环量、减小表观气速均能使边壁区固体浓度增加。上述实验结果与文献15结果相似。234567891001020304050s,%H/m Gs 58 kg/(m2s)86 kg/(m2s)106 kg/(m2s)(a)ug=4.4 m/s 2345678910010203040s,%H/m ug 4.4 m/s 5.0 m/s 5.6 m/sGs=86 kg/(m2s)(b)图 5 固体颗粒循环量（a）和表观气速（b）对边壁区固体浓度的影响 Fig.5 Effects of solids circulation rate(a)and superficial gas velocity(b)on local solids concentration in the wall region Tung 等21-22研究表明，只要截面平均固体浓度一定，固体浓度的径向分布与气速、固体循环量、提升管直径、物料性质等无关，只与径向无因次位置有关。因此将边壁区处固体浓度与截面平均固体浓度进行关联，如图 6 所示。由图 6 可以看出，随着截面平均固体浓度的增加，边壁处固体浓度显著增加。根据两者变化的函数关系，拟合得到经验关联式：为了验证关联式，将实验测量得到的 75 个数据点与式（2）预测值进行比较，结果如图 7 所示。由图 7 可见，预测值与测量值的误差在 20%以内。因此，式（2）可比较准确地计算边壁区固体浓度。基于一维固体浓度轴向分布模型23-24或实验测量得到的截面平均固体浓度轴向分布，通过方程（2）可以便捷、准确地计算边壁区固体浓度。0.000.050.100.150.200.250.00.10.20.30.40.5 s ss=1.08s0.680.00.10.20.30.40.50.00.10.20.30.40.5-20%Mesured sPredicted s+20%图 6 边壁区固体浓度与截面平均固体浓度变化关系 Fig.6 Correlation of solids holdup to the cross-sectional solids holdup 图 7 方程（2）的预测值与测量值比较 Fig.7 Parity plot for equation(2)using experimental data 2.3 边壁环隙区固体流量 边壁环隙区固体流量 边壁环隙区固体流量（Gsd）计算公式为：式中：p为颗粒真密度，kg/m3；a 为无因次边壁区半径。边壁区下降固体流量的轴向分布与表观气速对其的影响如图 8 所示。从图中可以看出：边壁区固体流量在提升管底部较大，随着轴向位置的升高而逐渐降低，在顶部受强约束出口的影响，边壁区固0.68ss1.08 0.02s0.25（2）Gsd=a2 p s vp（3）第39卷第4期 王志雨等.耦合流化床提升管边壁区固体流动的研究 331 体流量增加。增加固体循环量、减小表观气速均能使边壁区下降固体流量增加，但表观气速的影响程度较小。234567891004080120160Gsd穖/(kg-2穝-1)H/m Gs 58 kg/(m2穝)86 kg/(m2穝)106 kg/(m2穝)ug=4.4 m/s(a)234567891004080120Gsd/(kgm-2s-1)H/m ug 4.4 m/s 5.0 m/s 5.6 m/sGs=86 kg/(m2s)(b)图 8 固体颗粒循环量（a）和表观气速（b）对边壁区固体流量的影响 Fig.8 Effects of solids circulation rate(a)and superficial gas velocity(b)on solids flux in the wall region 2.4 边壁环隙区固体颗粒返混比边壁环隙区固体颗粒返混比 返混比（kp）的定义为：固体颗粒返混比的轴向分布以及表观气速对其的影响如图 9 所示。由图可知，返混比在提升管底部较大，Gsd/Gs在 1.52.5，表明在提升管底部存在剧烈的返混，为固体颗粒湍动区。返混比随着轴向位置的升高逐渐降低，而在提升管顶部受强约束出口约束作用的影响返混比会再次增加至 0.3。增加固体循环量、减小表观气速均能使固体颗粒返混比略有增加，但总体上来说变化不大。23456789100.00.51.01.52.02.5kpH/m Gs 58 kg/(m2s)86 kg/(m2s)106 kg/(m2s)(a)ug=4.4 m/s23456789100.00.40.81.21.6Gs=86 kg/(m2s)kpH/m ug 4.4 m/s 5.0 m/s 5.6 m/s(b)图 9 固体颗粒循环量（a）和表观气速（b）对边壁区返混比的影响 Fig.9 Effects of solids circulation rate(a)and superficial gas velocity(b)on back mixing ratio in the wall region 3 结结 论论 a）边壁区颗粒的下降速度为 0.81.6 m/s。固体循环量、表观气速的增加使边壁区颗粒下降速度增加。拟合得到了边壁区颗粒速度与截面平均固体浓度关联式，预测值与实验值吻合较好。b）固体浓度在提升管底部边壁区最大，接近最小流化时固体浓度。增加固体循环量、减小表观气速使边壁区固体浓度增加。边壁区固体浓度与截面平均固体浓度具有较好的关联。c）增加固体循环量、减小表观气速使边隙区固体浓度和流量增加，但返混比变化不大。提升管顶部受操作条件的影响程度明显低于底部。返混比在 0.152.5 时，在提升管底部较大，随着轴向位置的升高逐渐降低。kp=Gsd/Gs（4）332 化学反应工程与工艺 2023年8月 参考文献：参考文献：1 SUN Z N,ZHANG C,ZHU J.Comparisons of particle clustering phenomenon between gas-solids high-density and low-density circulating fluidized bed risers via numerical studyJ.Powder Technology,2022,39:117009.2 NIEUWLAND J J,MEIJER R,KUIPERS J A M,et al.Measurements of solids concentration and axial solids velocity in gas-solid two-phase flowsJ.Powder Technology,1996,87(2):127-139.3 SMOLDERS K,BAEYENS J.Hydrodynamic modelling of the axial density profile in the riser of a low-density circulating fluidized bedJ.The Canadian Journal of Chemical Engineering,2001,79(3):422-429.4 刘会娥,杨艳辉,魏飞,等.内构件对于提升管中颗粒混合行为的影响J.化学反应工程与工艺,2002,18(2):109-114.LIU Huie,YANG Yanhui,WEI Fei,et al.Solids mixing behavior in riser with internalsJ.Chemical Reaction Engineering and Technology,2002,18(2):109-114.5 汤颜菲,王嘉骏,冯连芳.提升管内气固流动行为的数值模拟J.化学反应工程与工艺,2006,22(5):445-450.TANG Yanfei,WANG Jiajun,FENG Lianfang.CFD simulation of gas and solid flow behavior 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University,Lyuliang 033001,China;2.Institute of Coal Chemistry,Chinese Academy of Sciences,Taiyuan 030001,China Abstract:In order to study the flow behavior in the wall region of a coupled fluidized bed,the axial pressure drop,particle velocity and solids holdup of the riser were measured by pressure sensor,PV-6 particle velocity measurement instrument and PC6D solids holdup measurement instrument.The results showed that the particle velocity ranges from 0.8 m/s to 1.6 m/s.With the increase of solids circulation rate and gas velocity,the descend velocity of particles increases.The correlation between particle velocity and cross-sectional solids holdup is obtained.Increasing solid circulation and decreasing gas velocity could increase the decreasing solids holdup and solid flow rate,but the change of backmixing ratio is relatively small and the correlation between the solids holdup and the cross-sectional solids holdup was obtained.Therefore,for the coupled fluidized bed,the flow characteristics of solid particles in the wall region can be manipulated by changing the operating conditions.Keywords:coupled fluidized bed;riser;fast fluidization;wall region;flow behavior 栏目编辑 张浩淼*中煤启动煤基烯烃新材料及下游深加工一体化项目 中煤启动煤基烯烃新材料及下游深加工一体化项目 近日，中煤能源集团有限公司启动煤基烯烃新材料及下游深加工一体化项目。该项目位于山西省朔州市平鲁经济技术开发区朝阳新材料工业园，总投资 297.8 亿元。项目将以山西平朔当地高硫、高灰熔点的烟煤经洗选后作为原料煤，采用粉煤加压气化，经变换、净化、甲醇合成，生产 220 万吨/年甲醇（中间产品，100%计）。甲醇再经甲醇制烯烃及烯烃分离装置生产乙烯、丙烯等中间产品，并进一步深加工为聚烯烃及新材料产品。该项目主要包括煤制甲醇、80 万吨/年甲醇制烯烃及烯烃分离、40 万吨/年聚乙烯、20 万吨/年聚丙烯、20 万吨/年双氧水、30 万吨/年双氧水法制环氧丙烷（HPPO）、30 万吨/年聚醚多元醇、10 万吨/年聚碳酸亚丙酯（PPC）等装置。该项目将利用地区煤、电、化、水、新能源一体化优势，同时耦合绿电、绿氢等路径生产高端煤基烯烃新材料产品。陈 璐 摘自 搜狐网，2023-07-07